Industrialisation lunaire : les grands axes

Comme nous l’avons souligné précédemment, et en tenant compte des ressources lunaires disponibles, il nous faut déterminer ce que l’on va produire sur la Lune, identifier pour ce faire les techniques disponibles ou à développer, et montrer en quoi tout cela correspond à des objectifs ou même à des marchés qui seront peu à peu créés par la disponibilité de nouveaux types d’industries et par celle de l’infrastructure spatiale Terre-Lune.

Il est impératif, une fois les implantations permanentes effectuées, de disposer d’une énergie à bon marché. Il faut également que le fonctionnement de l’industrie dans l’espace, hors les besoins locaux, présente des avantages par rapport à une exploitation terrestre, et enfin que le coût de transport vers la Terre ou les habitats spatiaux ne vienne pas annuler les gains réalisés par la dépense en énergie et en matériel exigée.

Cela implique des progrès en matière de technologie des vaisseaux spatiaux qui sont à notre portée et d’autres en matière de logistique industrielle et en organisation. Ces progrès nous permettront, au moment opportun, dans les années 2050-2060, de construire des lanceurs et navettes de transport interorbitales au même rythme que l’industrie aéronautique actuelle construit ses avions. Cela implique des progrès considérables en fiabilité et en qualité d’assemblage qui semblent réalisables au vu de l’expérience acquise peu à peu par les industries spatiales.

Du côté de l’énergie à bon marché sur la Lune, le problème sera résolu grâce aux nombreuses solutions de substitution à l’énergie solaire envisagées pour les longues nuits lunaires. Toute la surface de la Lune (sauf les pôles, en permanence dans une semi obscurité) subit des conditions d’ensoleillement exceptionnelles. Ceci permettra, selon l’excellent écrivain scientifique Francis Gérard, d’utiliser l’énergie solaire de façon massive pour le fonctionnement d’une industrie lunaire. Cette énergie de très forte intensité – le rayonnement solaire atteint la Lune sans être absorbé par une atmosphère – atteint 1395 watts en période de Soleil calme, voire 1441 watts par m² lorsque le Soleil est agité (il représente alors une menace pour les astronautes et les systèmes électroniques sensibles des satellites en orbite).

Il existe ainsi des approches différentes qui envisagent l’utilisation de la seule énergie solaire, une combinaison solaire-nucléaire, ou bien encore la seule énergie nucléaire à partir du moment où auront été domestiquées et banalisées l’énergie de fusion deutérium-tritium puis deutérium-hélium-3.

De toute évidence, l’énergie solaire sera utilisée massivement pour les futures industries lunaires car elle est immédiatement disponible en grande quantité, sans investissement onéreux. Les conditions particulières qui règnent sur la Lune autorisent cinq procédés (onéreux et d’une efficacité limitée sur Terre) qui pourront être utilisés de façon optimale et que je vais décrire dans les prochains paragraphes.

 Le procédé thermique...

Le procédé thermique par four solaire (retenu dans les scénarios de Francis Gérard, Krafft Ehricke et H.H. Koelle) serait extrêmement avantageux et efficace pour le traitement des minerais et la séparation de ceux-ci de leur gangue. Il permettrait d’atteindre rapidement les températures élevées indispensables à leur fonte. Des minerais comme le fer et le titane, qui fondent à des températures comprises entre 1500° et 1700°C, l’aluminium (dont le point de fusion se situe autour de 650°C, sont extrêmement abondants sur la Lune.

Les conditions de traitement sont incomparablement supérieures à celles possibles sur Terre avec, en outre, la possibilité d’atteindre une grande pureté grâce à l’absence d’atmosphère. Il serait également possible d’obtenir de meilleurs aciers et des alliages de qualité exceptionnelle (exemple fer-titane). Les fours solaires permettront également de faire fonctionner plus facilement que sur Terre des générateurs de plasma indispensables pour l’industrie chimique des hautes températures, notamment pour des opérations comme la production d’oxydes d’azote utilisés pour l’agriculture et la synthèse de l’acétylène.

Parmi les autres applications industrielles utilisant les hautes températures, il faut citer l’industrie des céramiques, mais la silice lunaire, qui est un oxyde commun présent dans le sable, possède, sur la Lune, certaines particularités. Sur Terre, la silice est inerte et ne pose pas de problème de séparation, mais sur la Lune, elle est restée longtemps à l’état liquide à cause des très grandes températures présentes sur la Lune dans sa phase de formation, ce qui la rend plus réactive que sur Terre. Cela complique toutes les opérations de séparation des matériaux de leur gangue et de leur traitement.

En dépit de ce problème, la présence massive de silice et d’alumine dans la croûte et le régolithe lunaire rendra cette industrie possible dès les débuts de la colonisation lunaire, et ce d’autant plus qu’il sera nécessaire pour un usage local.

Dans les années soixante, alors que certains stratèges spatiaux américains et soviétiques envisageaient déjà sérieusement ce type d’industrie sur notre satellite, le problème qui apparaissait difficile à résoudre était le manque d’eau et les faibles quantités d’hydrogène apportées par le vent solaire. Ce manque aurait pu être compensé par l’importation, à partir de la Terre, de grandes quantités d’octane (C8H18) : cet hydrogène, après extraction de l’octane, aurait pu être recombiné sur place avec l’oxygène extrait des roches dans des piles à combustibles [1] pour fournir l’énergie pour une petite base lunaire.

Depuis, les sondes Clémentine et Lunar Prospector ont révélé la présence massive de glaces d’eau sous la surface des régions polaires.

Selon Aman Binder, directeur du programme Lunar Prospector : « La présence d’eau gelée sur la Lune rend plus facile l’établissement d’une base d’un facteur 100. L’eau est importante pour les systèmes d’alimentation en oxygène ainsi que pour fabriquer du carburant » (hydrogène/ oxygène).

La Lune devenant ainsi un dépôt de carburant, la porte est ouverte pour l’exploration et la colonisation de celle-ci et du système solaire. » Rendue possible grâce aux réserves d’eau locales, l’industrie des céramiques permettra dans un premier temps de produire des matériaux de construction (briques et verres) à usage local et, par la suite, d’exporter vers la Terre et les stations spatiales des produits finis. Ils seront utilisés comme blindages pour les vaisseaux spatiaux et comme revêtements thermiques pour certains moteurs devant fonctionner à des températures élevées ou pour les navettes qui devront effectuer des rentrées dans l’atmosphère terrestre ou martienne.

Les conditions régnant sur la Lune permettraient de fabriquer plus facilement des produits de grande pureté pouvant supporter des températures de l’ordre de 1700°C et (selon Francis Gérard) de produire à meilleur coût un verre sésame ultratransparent très recherché pour ses propriétés en lumière visible et infrarouge. Ce type de verre, issu d’un brevet déposé par des chercheurs de General Electric dans les années soixante, intéresse de nombreux laboratoires d’optique et d’astronomie mais les conditions difficiles de sa fabrication le rendent encore coûteux pour une production en série.

Sur la Lune, il n’en irait pas de même grâce aux conditions environnementales et à la possibilité d’extraire du sol le thorium et l’oxyde d’yttrium qui entrent dans sa composition. Les températures lunaires (qui peuvent atteindre 180°C) permettraient de traiter plus facilement le silicium qui, bien qu’il tende à être supplanté par l’arséniure de gallium, offre, en raison de sa facilité d’extraction, des perspectives pour une industrie électronique à usage local ou pour la fabrication des cellules photoélectriques des centrales solaires orbitales.

 L’énergie solaire ...

L’énergie solaire est utilisable par 3 procédés : le procédé thermoélectrique, le procédé photoélectrique et le procédé photochimique. L’effet thermoélectrique consiste dans la formation d’un courant électrique à la jonction de deux métaux qui présentent un important écart de température (une application usuelle en est le thermocouple). Les conditions lunaires permettent de grands écarts de température et donc, une meilleure production d’énergie. L’effet photoélectrique est la propriété qu’ont certains couples de métaux ou de semi-conducteurs de libérer des électrons quand l’un d’eux est éclairé, entraînant la production de courant. Il est plus vraisemblable que le précédent, et offre certaines possibilités à usage local sur la Lune.

Le procédé photochimique, analogue à la photosynthèse végétale, a de toute évidence un avenir sur la Lune car il est l’instrument idéal pour une future industrie alimentaire produisant des substances organiques à partir de molécules simples. Nous avons vu que l’usage de l’énergie solaire, abondante sur notre satellite, offre des bonnes possibilités pour une industrie basée sur les hautes températures. Toutefois, d’autres perspectives s’ouvriraient si, en plus du Soleil, on envisageait l’énergie nucléaire. Krafft Ehricke pensait qu’elle serait indispensable pour servir d’énergie relais pendant les longues nuits lunaires (Frank Malina a pensé installer pour ce faire des réacteurs nucléaires identiques à ceux des sous-marins sur notre satellite).

Bien sûr, on pourrait installer un grand nombre de centrales solaires, pour fournir de l’énergie à partir des parties éclairées aux zones plongées dans le froid et l’obscurité de la nuit lunaire. Il est évident qu’une telle solution serait onéreuse à cause de la masse des infrastructures à construire. En son temps le regretté Albert Ducrocq avait souligné le rendement croissant des panneaux solaires. Un panneau de 120 m capable de produire 12 à 15 kW, sur la Lune, ne pèse que 200 kg. Sur la Lune, ce type d’appareil serait suffisant pour assurer non seulement le fonctionnement des appareils d’une station mais aussi pour alimenter des opérations d’électrolyse [2] ou de séparation et d’isolation des matériaux du sol lunaire.

Pendant les nuits lunaires, ce type d’installation pourrait être partiellement relayée par des piles à combustible qui, comme nous l’avons vu, peuvent fournir du courant et de l’eau potable, ou de petits générateurs radio isotopiques RTG du type SNAP déjà utilisés avec succès sur la Lune pour les stations scientifiques ALSEP du programme Apollo. Toutefois, même avec ces solutions, le différentiel énergétique à combler reste considérable et implique, comme le souhaitait Krafft Ehricke, une utilisation importante du nucléaire.

Pour certaines opérations caractéristiques des premières phases d’industrialisation, des moyens très simples suffiront et ont déjà fait l’objet de nombreux brevets. La Lune nécessitera de l’ingéniosité mais, dès le début, avant même l’installation d’une industrie énergétique complexe et lourde, il sera possible d’y travailler. Par exemple, à l’extraction de fer, de chrome ou de nickel du régolithe, on peut espérer extraire une tonne de pépites de fer pur pour 550 à 600 tonnes de sable. Une autre ressource de valeur seraient les petites perles de verre qui sont abondantes à la surface de la Lune et proviennent de l’impact de météorites et d’astéroïdes. Ces sphérules peuvent être extraites par des moyens mécaniques ou électrostatiques, puis traitées. Selon Krafft Ehricke, « toutes ces méthodes de séparation sont relativement simples et ne nécessitent pas de matériel lourd ». Autre exemple, l’extraction de l’oxygène qui servira aux systèmes de survie et comme comburant pour les moteurs cryotechniques.

Cet objectif associera les industries des hautes températures (pour l’extraction) et des basses températures pour la liquéfaction. A l’époque de la Space Exploration Initiative et de son programme additif Pathinder, la NASA avait conçu des systèmes d’extraction d’oxygène lunaire et estimait qu’avec les techniques spatiales en développement à l’époque, il aurait été facile d’amener sur la Lune une usine de traitement chimique miniature utilisant un four solaire et pouvant produire 100 kg d’oxygène chaque jour.

 Les explosions nucléaires ...

Les explosions nucléaires comme mode d’extraction minière furent étudiées par Ehricke dès 1972. Les utilisations ouvertes et pacifiques de l’énergie nucléaire, y compris la production d’énergie par explosion nucléaire souterraine, sont autorisées par le Traité international sur l’espace de 1967. Une explosion nucléaire souterraine, en milieu lunaire, n’affecte pas la surface. L’énergie nucléaire est la forme la plus efficace d’énergie parce qu’elle présente la plus faible entropie et la plus faible masse.

C’est vrai pour les centrales électronucléaires mais, plus encore, pour les explosions nucléaires. Par exemple, pour extraire 10 000 t d’oxygène par an et réduire par la même occasion une masse correspondante de silicium, de fer, d’aluminium, de titane, il faut 75 milliards de kcal (313 TJ) ce qui correspond à l’énergie libérée par 15 explosions de 5 kT. Même si l’on ne récupère que 33 à 50 % de l’oxygène (l’extraction de 10 000 t d’oxygène nécessiterait donc 30 à 45 explosions de 5 kT), le quotient de la masse produite (oxygène et matériaux réduits) par la masse investie est considérable (80 à 100). Ce coefficient reste très élevé si l’on prend en ligne de compte tous les équipements et l’énergie nécessaires à la séparation des éléments contenus dans la masse réduite.

Après installation de l’équipement de base, lorsqu’il ne reste qu’à fournir les charges explosives, le quotient produit par investissement devient beaucoup plus élevé. Dans le même temps, les explosions sont trop faibles pour interférer sur les laboratoires et observations astronomiques établis à 1 000 ou 2 000 kilomètres du complexe central d’extraction minière lunaire.

Les cavernes, selon Ehricke, seront creusées par les explosions dans le sous-sol (basalte, roche pré-imbrienne). Du fait de la sécheresse totale de la roche lunaire, il n’y a pas de génération de vapeur. C’est un avantage important par rapport à la Terre, où la vapeur risque de fissurer les parois, ce qui mène, dans un environnement de pesanteur plus forte, à des risques d’effondrement du plafond de la caverne et à la formation de cheminées qui provoquent un refroidissement relativement rapide de la caverne. Sur la Lune, les explosions produiront des cavernes aux parois vitrifiées hautement comprimées. On peut s’attendre à ce qu’elles soient suffisamment imperméables pour conserver l’eau, en empêchant son absorption dans les roches desséchées et non comprimées qui entourent l’ensemble.

La conductivité thermique du matériau lunaire est très basse, si bien que la chaleur reste stockée dans les parois du four et dans le réservoir de lave en fusion qui se formera et donc, l’énergie de l’explosion sera dissipée de manière essentiellement productive dans le matériau traité. La croûte lunaire contient beaucoup moins d’éléments chimiques susceptibles de se transmuter en radioisotopes indésirables (strontium césium, yttrium, antimoine) sous l’effet de l’intense flux neutronique de l’explosion atomique. Une bombe à fission libère néanmoins des radionucléides et, lorsqu’elle sera au point, la fusion sera préférable.

Les explosions souterraines terrestres ont montré que la majorité des produits de fission ont tendance à se rassembler en plaques de roches liquéfiées au fond de la cavité. Sur la Lune, la gravité plus faible devrait plus largement distribuer ces produits de fission dans la calotte inférieure des parois. La plupart des produits de fission ont une demi-vie relativement courte : 100 jours seulement après l’explosion, 63 % des matériaux radioactifs sont constitués de 3 radio-isotopes : le strontium 90, le strontium 89 et le césium 144 dont les demi-vies sont respectivement de 28 ans, 50 jours et de 284 jours. Après 100 jours, le strontium 90 représente 20 % de l’ensemble du rayonnement.

Au fur et à mesure que la caverne se remplit de matériaux réduits, les parties radioactives de la caverne sont de plus en plus ensevelies. En conséquence, étant donné que les durées de vie sont pour la plupart courtes et que les nouvelles couches de matériaux jouent le rôle de protection, la radioactivité dans le four décline rapidement et atteint un minimum quand l’extraction commence. De plus, la mine ainsi créée sera exploitée par des robots. Le minerai désoxydé lui-même n’est pas radioactif et peut être traité sans problème après son extraction.

Il n’y a pratiquement pas de limite quant à la quantité de matériau lunaire que l’on peut traiter annuellement dans ce genre d’installation. On pourra produire toute une gamme de produits lunaires mis sur le marché local et spatial dont nous ne prétendons pas donner une liste exhaustive. [3]

 Les conditions de froid...

Les conditions de froid régnant sur la Lune pendant la nuit permettraient une utilisation industrielle plus rentable et plus simple que sur Terre pour nombre de procédés et notamment pour tout ce qui a trait à des techniques de cryogénie et de liquéfaction des gaz. Les nuits peuvent dans des cas extrêmes atteindre -183°C. L’oxygène devient liquide à -90,2°C. Sa liquéfaction ne nécessiterait donc pas de procédés longs et coûteux et l’on peut imaginer des usines fabriquant l’oxygène liquide en grande quantité à l’usage des navettes interorbitales qui seraient ravitaillées par des citernes placées sur les deux orbites terrestre et lunaire.

Les gaz rares sont abondants dans les roches grâce à la présence de titane qui les absorbe. Bien que leur température de liquéfaction se situe à 165,2°K pour le xénon, 120°K pour le krypton, 87,8°K pour l’argon et 27,1°K pour le néon à pression atmosphérique, et que le vide lunaire rende cette opération plus difficile en nécessitant des températures encore plus basses, il est tout à fait possible d’effectuer ces opérations en comprimant les gaz à la pression adéquate. La liquéfaction de l’hydrogène, dans un premier temps extrait des importations d’octane, puis exploité à partir des glaces, serait, elle aussi, facilitée.

Une importante industrie cryogénique et de liquéfaction des gaz permettrait le développement d’une métallurgie de haute qualité grâce au traitement cryogénique des métaux et des aciers inoxydables qui permet d’obtenir une plus grande dureté et des qualités de résistance mécanique plus grande (par exemple, les aciers austénitiques trempés à l’hélium). Pour ce faire, il serait possible d’utiliser l’hélium des roches lunaires et de l’azote importé des astéroïdes. Il serait aussi possible de fabriquer des produits chimiques préparés par cryogénie comme le butyle caoutchouc, particulièrement résistant aux agents chimiques et moins perméable à l’air que le caoutchouc naturel, ou du polyformol utilisé dans la fabrication de certaines matières plastiques.

Les basses températures intéressent l’industrie des supraconducteurs, car il est possible de refroidir à leur température critique un certain nombre de supraconducteurs existant localement. En refroidissant certains matériaux à la température de l’hélium liquide (4,2°K), il devient possible de créer des champs magnétiques intenses supérieurs à 100 000 Gauss. On distingue habituellement deux types de supraconducteurs :

• ceux dans lesquels la supraconductivité obtenue disparaît en présence d’un champ électromagnétique s’il est supérieur à 2000 Gauss (aluminium, étain, iridium) ;

• ceux pour lesquels au delà d’une certaine intensité de champ les lignes de force de celui-ci n’entrent que graduellement dans la substance sans détruire la supraconductivité. Ainsi par exemple, un alliage niobium zirconium peut supporter un champ maximal de 70 000 Gauss, une combinaison niobium-titane (120 000 Gauss), le vanadium-silicium (150 000 Gauss), le vanadium-gallium (350 000 Gauss).

Les applications sont déjà nombreuses sur Terre dans de nombreux domaines. Le développement d’une industrie des supraconducteurs sur la Lune se justifie par la facilité d’obtenir de l’hélium liquide et par la présence d’une grande partie des substances nécessaires à cette industrie (titane, aluminium, silicium, zirconium, gallium). L’étain, le niobium et le plomb devraient être importés (par exemple des astéroïdes ?). Cette industrie serait compétitive pour le marché local et à l’exportation.

 Le Vide...

Le vide (la pression lunaire est de 10-13 Torr) rendrait certaines industries compétitives à long terme car, sur Terre, pour obtenir des vides de 10-10 à 10-12 Torr, il faut des dispositifs coûteux, évidemment inutiles sur la Lune.

Dans certains domaines, comme la fabrication des cristaux purs sous vide, il n’est pourtant pas sûr que les industries lunaires puissent être compétitives avec celles des habitats spatiaux. Toutefois, selon Francis Gérard, de nombreuses activités industrielles nécessitant un vide poussé auront leur place et offriront des possibilités d’exportation vers la Terre et les stations spatiales en orbite terrestre :

• la soudure par bombardement électrique au moyen d’un émetteur d’électrons, utilisée dans l’industrie électronique, qui réclame sur notre planète des conditions d’étanchéité extrêmes. A long terme on peut tabler sur le développement d’un marché local important et sur des exportations de produits finis.
• la métallisation sous vide exige un vide de 10-5 Torr pour les revêtements des microcircuits hybrides des condensateurs et des résistances.
• l’élaboration des métaux sous vide par fractionnement en phase gazeuse. Les risques de contamination par les parois du creuset sont presque nuls et permettent d’éviter les procédés onéreux et compliqués utilisés sur Terre pour l’élimination des impuretés.

Il va de soi que toutes ces perspectives industrielles ne seront pas possibles dès les premières implantations car elles devront rapidement assurer leur survie en attendant qu’arrive sur la Lune la masse critique nécessaire pour travailler puis pour expédier des matériaux sur orbite. Toutefois, à terme, et lorsque le besoin s’en fera sentir et que les nécessités économiques locales et terrestres permettront le développement de ces industries, notre satellite deviendra une gigantesque base industrielle apte à résister longtemps dans de nombreux domaines à ses possibles concurrents des habitats spatiaux ou des « villes de l’espace » chères à Gérard O’Neill.